I bioreattori a membrane

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I bioreattori a membrane
Claudio Lubello Dipartimento Ingegneria Civile
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Filtrazione su Membrana
Separazione fisica di solidi sospesi, colloidali
o disciolti da un mezzo liquido o gassoso.
Membrana
Forza motrice PRESSIONE POTENZIALE
ELETTRICO TEMPERATURA GRADIENTE DI
CONCENTRAZIONE COMBINAZIONE DI DIVERSE FORZE
MOTRICI
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Alimento QA, CA, PA
Reiezione del soluto
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Flusso di permeato
Dove TMP è la differenza di pressione attraverso
la membrana (pressione di transmembrana), ? è la
viscosità assoluta dellacqua, Rm è la resistenza
idraulica della membrana pulita (inversamente
proporzionale alla permeabilità idraulica della
membrana e direttamente proporzionale allo
spessore ?x della membrana), ?k è una costante
empirica e ?? è la contropressione dovuta al
fenomeno osmotico.
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MICROFILTRAZIONE
ULTRAFILTRAZIONE
NANOFILTRAZIONE
OSMOSI INVERSA
La più importante classificazione delle membrane
è basata sul grado di selettività (diametro o
peso molecolare) delle sostanze rimosse
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Effetto su alcuni parametri
Parametro MF UF NF RO
BOD X X X
Durezza X X
Metalli X X
Nitrati X X
Inquinanti organici X X X
Composti organici di sintesi X X
TDS X X
TSS X X
Batteri X X X X
Protozoi e uova di elminti X X X X
Virus X X
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Bioreattore a Membrana (MBR)
IMPIANTO TRADIZIONALE A FANGHI ATTIVI
Unità di filtrazione
Sedimentatore secondario
Reattore biologico
PERMEATO
La biomassa è separata dallacqua trattata
grazie allunità di filtrazione costituita dalle
membrane
I solidi ed i microrganismi sono separati
dallacqua trattata allinterno del sedimentatore
secondario
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Configurazioni di MBR
1) Side-stream
Il modulo a membrane è esterno al bioreattore
(vasca di ossidazione) la miscela aerata è
pertanto fatta circolare nel modulo esterno con
un ricircolo del retentato (più concentrato)
verso il bioreattore.
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Configurazioni di MBR
2) Membrane sommerse
a) La separazione avviene allinterno dello
stesso bioreattore, senza necessità di ricircolo
b) La separazione avviene in un contenitore posto
ad quota superiore rispetto al bioreattore
(solitamente proprio sopra). Il ricircolo dei
fanghi avviene per gravità.
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1989 Yamamoto
2005 Zenon , Kubota et al.

• Oltre 1000 MBR nel mondo per un volume
  complessivo prodotto gt 60 ML/d 90 con
  membrane sommerse

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Direzione del flusso e meccanismi di fouling
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La pressione di transmembrana

• Indicata con ?p o TMP è la forza motrice che
  determina il moto di filtrazione attraverso la
  membrana.
• Nel caso di filtrazione cross-flow

In cui Pf pressione del flusso di alimento Pc
pressione del flusso di concentrato Pp
pressione del flusso di permeato
Nel caso di filtrazione dead-end
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Andamento del flusso di permeato
In presenza di materiali disciolti e/o
colloidali, laumento del flusso di permeato
risulta essere in un primo momento lineare con
lincremento di pressione transmembrana (regione
controllata dalla pressione). Oltre un certo
valore della pressione, gli incrementi di flusso
diminuiscono sempre di più ad ogni aumento di
pressione finché non si arriva ad un valore
pressoché costante del flusso (steady state),
indipendente dalla pressione (regione
controllata dal trasferimento di massa).
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Geometria e configurazione dei moduli

• A SPIRALE AVVOLTA (spiral wound) Due membrane
  vengono incollate su tre lati il quarto lato
  viene lasciato aperto e collegato al tubo di
  raccolta del retentato. Viene utilizzata per NF,
  OI e UF.
• Vantaggi elevati rapporti sup/vol (800-1000
  m2/m3) e massima compattezza.
• Svantaggi rapido intasamento (per le basse
  velocità tangenziali e dimensioni ridotte dei
  passaggi).

• A FIBRE CAVE (hollow fibre)Sono tubi capillari
  costituiti da una guaina di supporto ad elevata
  porosità sulla quale è appoggiata la membrana
  vera e propria (? 40?m). Rapporto sup/vol tra
  1000 e 10000 m2/m3.

• TUBOLARI (tubular) La membrana è appoggiata
  sulla parete interna di un tubo poroso,
  utilizzate per MF e UF.
• Vantaggi elevate velocità di filtrazione
  (utilizzati per flussi carichi di SS).

• AD UNITA PIANE CON SUPPORTO (plate and frame)
  Le membrane vengono appoggiate su supporti piani
  frapposte da una rete spaziatrice per permettere
  il deflusso del permeato. Rapporti sup/vol
  100-400 m2/m3

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Spirale avvolta
Anti telescoping devices
Tubo di raccolta del permeato
Concentrato
Alimento
Permeato
Concentrato
Alimento
Membrana
Spaziatore
Alimento attraverso rete spaziatrice
Membrana
Spaziatore raccolta permeato
Rete spaziatrice
Rete spaziatrice
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Spirale avvolta
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Tubolari
La membrana viene fissata allinterno di un tubo
poroso, il fluido permea dallinterno verso
lesterno e viene raccolto da un mantello che,
nel caso di membrane inorganiche è costituito da
un materiale poroso che fa da supporto a molti
tubi. I campi di applicazione di questi moduli
sono molto vari, sono usati soprattutto per
fluidi carichi di solidi sospesi potendo
mantenere velocità allinterno dei tubi molto
alte.
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Fibra cava
Filtrazione del permeato
Controlavaggio
La filtrazione avviene grazie al gradiente di
pressione che si crea fra linterno e lesterno
della fibra cava con la pompa di filtrazione
Si effettua un controlavaggio con un flusso di
aria o permeato in direzione opposta a quella di
filtrazione per ridurre problemi di fouling
Il permeato viene convogliato allinterno della
fibra e raccolto in testa al modulo
Aria-Permeato
Permeato
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Parametri operativi

• Concentrazione dellalimento
• TMP
• Turbolenza vicino alla superficie della membrana,
  ottenuta tramite sforzi di taglio indotti dalla
  velocità tangenziale o tramite promotori di
  turbolenza allinterno del sistema
• Temperatura

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Confronto fra le due soluzioni

• 1) Side-stream
• Filtrazione Cross-flow (in-out)
• Membrane tubolari o plate and frame
• Elevato tasso di ricircolo (r 25-50)
• Elevato costo energetico (6-8 kWh/m3)
• Elevata TMP e flusso specifico (?P 1-5 bar, J
  50-120 L/(h m2))
• Controllo del Fouling attraverso unelevata
  velocità nei moduli (v 2-5 m/s)

• 2) Membrane sommerse
• Filtrazione Dead-end (out-in)
• Fibre cave (preferenzialmente) e plate and
  frame
• Assenza del ricircolo di miscela aerata
• Basso costo energetico (0.003-0.02 kWh/m3)
• Bassa TMP e flusso di permeato (?P 0.1-0.6
  bar, J 10-20 L/(h m2))
• Controllo del Fouling con immissione di bolle
  daria sulla superficie delle
• membrane (air-lift)

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MBR, principali vantaggi

• Concentrazione della biomassa molto maggiore
  rispetto a sistemi tradizionali (10-30 g/l of
  MLSS).
• In questo modo è possibile ottenere, a parità di
  altri parametri, elevate età del fango e quindi
  bassa produzione di fango.
• Letà del fango è molto alta ( gt 30 d ), ciò
  consente la crescita di microrganismi a tasso di
  crescita molto basso allinterno del bioreattore.

? Il valore massimo di concentrazione del fango
può essere calcolato nelle ipotesi di SRT
tendente allinfinito.
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Problemi

• Se la concentrazione di solidi sospesi nella
  miscela aerata aumenta decresce il flusso
  specifico di permeato

• In particolare nei sistemi side-stream laumento
  di viscosità dovuta alla concentrazione del fango
  può incrementare le perdite di carico idraulico e
  quindi le spese energetiche
• Lincremento della concentrazione porta ad un
  incremento del consumo di ossigeno con più basse
  rese di trasferimento
• La diminuzione della temperatura comporta una
  consistente diminuzione del flusso
• Sono presenti talvolta fenomeni di formazione di
  schiume.

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Qualità delleffluente di acque reflue civili

• Efficienze di rimozione comprese fra il 90 ed
  il 97.
• Leffluente in termini di COD è sempre lt 40
  mg/l. Il miglioramento delle performance rispetto
  ad un impianto tradizionale sono dovute anche
  alla rimozione dei solidi sospesi dpvuta alle
  membrane ( 99.9 di SST).
• Ad età del fango superiori a 5 giorni si ha
  sempre completa nitrificazione. Si ricordi che
  nel caso di un MBR HRT ed SRT sono completamente
  indipendenti.

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Qualità delleffluente di scarichi industriali

• Gli scarichi industriali tipici trattati da
  impianti MBR riguardano alimentari, tessili,
  caseari, da cotonifici, conciari, da fabbriche di
  birra, petroliferi, chimici, farmaceutici,
  percolati di discarica.
• In letteratura sono indicate efficienze di
  rimozione comprese fra 90 e 98.
• Le età del fango variano fra 6 e 300 giorni.
• In alcuni casi può essere opportuno in fase di
  avvio diluire lo scarico per evitare linibizione
  dei nitrificanti.
• Ottimi risultati sono stati ottenuti
  nelleliminazione di diversi composti
  recalcitranti.
• La produzione di fanghi è analoga a quella degli
  impianti civili, tipicamente compresa fra 0.05 e
  0.35 kg SS kg-1COD d-1.

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Il fouling
Fouling è il termine generico utilizzato per
indicare un processo che determina lincremento
della resistenza al moto di permeazione
attraverso la membrana. Ciò è dovuto
alladsorbimento o al deposito sulla superficie
della membrana (formazione di un cake),
adsorbimento nei pori ( restrizione dei pori) o
completa occlusione dei pori.
1) Fouling fisico-chimico può essere attribuito
a composi inorganici (Fe, Mn, idrossidi di Al,
CaCO3), proteine and materiale organico ed
inorganico colloidale. 2) Fouling biologico
attribuito alla crescita di microrganismi sulla
superficie della membrana.
Una delle cause note di fouling è la presenza di
polimeri extracellulari (EPS) esecreti dai
microrganismi.
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Sistemi di controllo del fouling
1) E difficile rimuovere gli agenti sporcanti
in ingresso perché costituiscono una buona parte
del carico organico che lo stesso MBR dovrebbe
rimuovere. 2) Pulizia chimica delle membrane è
possibile con agenti ossidanti (p.es. NaOCL),
acidi (p.es. HCl) e basi (p.es. NaOH) per
rimuovere il fouling organico ed inorganico.
Questa tecnica è adottata quando si ha la
formazione di fouling irreversibile. 3) Pulizia
meccanica delle membrane il controlavaggio
rompe lo strati di cake. P.es. nell MBR Zenon
ogni 360 sec di filtrazione si opera un
controlavaggio di 60 sec. 4) Promozione della
turbolenze è ottenuta con lincremento della
velocità di cross-flow nei sistemi side-stream e
con laerazione nei caso di membrane immerse.
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Analisi di costo

• Il costo più significativo è indubbiamente
  quello delle membrane. Tale componente è
  proporzionale alla dimensione dellimpianto e non
  decresce per unità di carico come nel caso dei
  trattamenti tradizionali.
• Attenzione alla variazione delle portate (tempo
  umido / tempo secco).

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Esempio Rimozione colore acque tessili
Effluente chiariflocculazione
Effluente pilota MBR
Effluente Ozonizzazione
0,090
0,074
0,070
Abs. a 420 nm
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Esempio aggiunta PAC
Il mantenimento del letto di carbone in un
impianto tradizionale a fanghi attivi
IMPIANTO TRADIZIONALE A FANGHI ATTIVI

• Migliorare la stabilità del sistema durante gli
  shock di carico attraverso ladsorbimento

PAC

• Incrementare la rimozione del COD attraverso
  ladsorbimento dei composti organici non
  biodegradabili

COSTOSO perchè un impianto tradizionale a fanghi
attivi generalmente lavora con valori delletà
del fango bassi
Reattore biologico
Sedimentatore secondario

• Migliorare la rimozione del colore

DIFFICILE perché parte del carbone attivo può
essere persa con il chiarificato

• Migliorare la sedimentazione e la disidratazione
  del fango

• Favorire lo sviluppo dei microrganismi
• Adsorbendo le sostanze che potrebbero risultare
  tossiche o inibenti
• Fornendo una superficie su cui crescere.

Luso di carboni attivi in un impianto MBR può
risultare particolarmente VANTAGGIOSO
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Esempio aggiunta PAC
STABILITÀ DEL SISTEMA
Senza carbone attivo
Carbone in concentrazione 1,5 g/L
Ridotta variabilità della qualità del refluo in
uscita in presenza di carbone attivo in polvere
Carbone in concentrazione 3 g/L
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Grazie per lattenzione